Який вплив розчиненого у воді газоподібного хлору на твердість поверхні нагрівача PFA через 1000 годин?

У воді газоподібний хлор (Cl₂) є дуже сильним окислювачем і використовується в багатьох системах дезінфекції, басейнах і муніципальних очисних спорудах. З часом хлор руйнує поверхні PFA. У звичайних кількостях (1-10 ppm) розчинений газоподібний хлор викликає прогресивну зміну поверхні, тоді як розчини гіпохлориту (відбілювач) викликають швидке розкладання. Твердість поверхні PFA підвищується на 5-10 одиниць Шора D (65-68 до 70-75) після 1000 годин безперервної витримки при 40 градусах (середня температура басейну) з 5 ppm розчиненого Cl 2 . Поверхня стає крихкішою, подовження при розриві зменшується з 300 % до 150-200 %. Підвищення твердості припадає на зовнішній шар 50–150 мкм, сипучий матеріал залишається незмінним. Дія прискорюється при вищих температурах (від 60 до 80 градусів) або більших концентраціях хлору (від 20 до 50 частин на мільйон), і розтріскування поверхні може відбутися протягом 500 годин.

Механізм атаки хлору PFA
Розчинений у воді газоподібний хлор гідролізується з утворенням хлорноватистої кислоти (HOCl) і соляної кислоти (HCl). Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl. «HOCl і HCl ворожі. HOCl є сильним окислювачем, який витягує атоми водню з кінців ланцюга PFA (хоча PFA містить відносно мало атомів водню, є деякі залишкові кінцеві групи -CF2H). Фтор заміщується киснем, утворюючи карбонілфторидні (-COF) і карбоксильні (-COOH) групи. Ці полярні групи збільшують поверхневу енергію (з 18-20 мН/м до 25-35 мН/м), що парадоксальним чином призводить до зменшення кута контакту з водою, а отже, може підвищити змочуваність. Що більш важливо, окислений поверхневий шар зшивається і твердне. Підвищення твердості пов’язане зі збільшенням кристалічності поверхневого шару (з 45% до 55–60%), оскільки аморфні області є переважно націленими та реорганізованими.

Ця реакція залежить від температури . 25 градуса. Через 1000 годин при 5 ppm Cl2 твердість підвищується на 2–4 одиниці Шора D. При 40 град., це 5-10 одиниць. При 60 градусах це 10-15 одиниць. На поверхні утворюються мікротріщини. PFA у 5 ppm хлорної води при 80 градусах виходить з ладу через 200-500 годин через серйозні поверхневі тріщини та крихкість. Таким чином, нагрівачі PFA в системах дезінфекції хлором слід використовувати нижче 50 градусів.

Зміна твердості поверхні через 1000 год
Температура (градуси) Концентрація хлору (ppm) Початкова твердість (Шор D) Твердість через 1000 годин (Шор D) Збільшення (Шор D) Зовнішній вигляд поверхні Подовження при розриві Утримання (%)
0 (контроль) 40 66 66 0 Гладкий, глянсовий 100% 1 40 66 68-69 2-3 Трохи матовий 90-95% 5 40 66 70-73 4-7 Тупий, трохи шорсткий 70-80%
10 40 66 72-75 6-9 Тупий, помітна мікро-нерівність 60-70%
5 25 66 68–70 2–4 Легке потьмяніння 85–90% 5 50 66 72–76 6–10 Тупий, дрібний розрив 65–75% 5 60 66 75–80 9–14 Мікротріщини, очевидні при 10× 40–60%
5 80 66 Н/Д (не вдалося) Н/Д Розтріскування поверхні, крихкість<20% 20 40 66 74-78 8-12 Crazing, white surface layer 50-65% 50 40 66 78-82 12-16 Cracking, surface powdering 30-50%
Практичні наслідки роботи нагрівача
Для обігрівачів для басейнів (25-30 градусів, 1-5 ppm Cl2) підвищення твердості після 1000 годин було невеликим (2-5 Шора D). Нагрівач все ще працює, а крихкість поверхні не викликає розтріскування під час нормального термічного циклу (ΔT=10-20 ступінь). Тривалість життя 5-10 років. Для міських систем очищення води з температурою 40–50 градусів підвищення жорсткості є значним (5–10 за Шором). Поверхня утеплювача тьмяніє і втрачає еластичність. Після 2-3 років термоциклування (щоденне ввімкнення/вимкнення) можуть з’явитися дрібні тріщини на поверхні. Рекомендована заміна через 3-5 років.

PFA не рекомендується для промислової дезінфекції хлором при високих температурах (50-80 градусів), незалежно від концентрації. Поєднання високої температури та хлору призводить до швидкого псування поверхні та розтріскування та, зрештою, до проникнення в металеве ядро. Іншими матеріалами для високотемпературного використання хлору є титан (пасивує у хлорованій воді) або ECTFE (Halar), який перевершує PFA щодо стійкості до хлору.

Оцінка стану Випробування твердості поверхні
Для обігрівачів PFA, що працюють з хлором, щорічне тестування твердості поверхні оцінює залишковий термін служби. Використовуйте портативний дурометр Шора D (ASTM D2240). Вимірюйте в трьох точках (низ, середина, верх) на частині, яка занурена. Якщо твердість збільшилася на 5-10 одиниць порівняно з початковим значенням (66-68), це свідчить про помірне погіршення. Ймовірно, у обігрівача залишиться 2-3 роки. Підвищення твердості на 10–15 одиниць свідчить про значне погіршення якості, і заміну слід провести протягом 12 місяців. Якщо твердість підвищується більш ніж на 15 одиниць або якщо на поверхні з’являються явні тріщини, необхідна заміна. Зв'язок між залишком життя та збільшенням твердості є емпіричним. Однак він надійний для PFA, пошкодженого хлором.

Якщо нагрівачі вже демонструють збільшення твердості, по можливості зменшіть робочу температуру. Швидкість деградації зменшується вдвічі на кожні 5 градусів (поведінка Арреніуса). Нагрівач на 50 градусів із підвищенням твердості на 10 одиниць, зниженням до 40 градусів подвоює термін служби, що залишився, до 4 років.

Висновки: Твердість зросла на 5–10 одиниць після 1000 годин при 40 градусах /5 ppm Cl2
The surface hardness of PFA heater increased by 5–10 Shore D units (from 66–68 to 70–75) after exposure to dissolved chlorine gas (5 ppm) in water at 40°C for 1,000 hours. The surface was embrittled, the elongation at break decreased from 300 % to 70-80 %. The degradation is confined to the outer 50–150 ?m layer and does not cause immediate failure, but it weakens the resistance of the heater to thermal cycling and mechanical stress. For normal pool and municipal water disinfection (25 to 40 deg C, 1 to 5 ppm), PFA heaters have adequate 5-10 year life. PFA is not recommended for industrial usage above 50°C. Annual tests of Shore D hardness offer an easy, non-destructive way to measure degradation and forecast replacement dates. Replacement of heater required if hardness increases >15 одиниць або будь-які очевидні поверхневі тріщини. Як контролювати твердість, підтримувати температуру та замінювати, перш ніж він вийшов з ладу. Хлор і висока температура є ворогами PFA. Керуйте обома, і ваш обігрівач виживе.